La viscosidad permite movimientos complejos para robots blandos

Nov 20, 2023

Andrés Corselli

Un equipo de investigadores de Cornell, dirigido por la profesora asistente Kirstin Petersen, diseñó un sistema nuevo y simple de actuadores impulsados ​​por fluidos que permiten a los robots blandos lograr movimientos más complejos. El equipo lo hizo aprovechando lo que anteriormente había obstaculizado el movimiento de tales robots: la viscosidad.

El laboratorio había estado explorando formas de tomar las capacidades y comportamientos cognitivos de un robot y descargarlos del "cerebro" al cuerpo, a través de sus reflejos mecánicos y su capacidad para aprovechar su entorno. Al reducir la necesidad de computación explícita, el robot puede volverse más simple, más robusto y menos costoso de fabricar.

"Los robots blandos tienen una estructura muy simple pero pueden tener una funcionalidad mucho más flexible que sus primos rígidos", dijo Petersen. "Son una especie de robot inteligente incorporado definitivo. La mayoría de los robots blandos en estos días son impulsados ​​por fluidos. En el pasado, la gente ha buscado cómo podíamos obtener un beneficio extra por nuestra inversión incorporando funcionalidad en el material del robot, como el elastómero En cambio, nos preguntamos cómo podríamos hacer más con menos al utilizar la forma en que el fluido interactúa con ese material".

Tradicionalmente, el actuador impulsado por fluido de un robot suave funciona cuando el fluido presurizado fluye uniformemente a través de una vejiga o fuelle de elastómero. El principal problema es que si el flujo interno del actuador es viscoso, la presión se iguala de manera diferente, lo que hace que el movimiento del actuador se vuelva lento y que el robot disminuya la velocidad.

El equipo de Petersen partió de una plantilla similar, excepto que conectó una serie de fuelles de elastómero con tubos delgados, colocados en un par de columnas paralelas, todo en un sistema cerrado. Este método permite movimientos antagónicos. Los diminutos tubos inducen la viscosidad, lo que conduce a una presión distribuida uniformemente, doblando el actuador en diferentes contorsiones y patrones de movimiento. Eso normalmente sería un problema, pero el equipo lo convirtió en una ventaja.

El autor principal, Yoav Matia, desarrolló un modelo descriptivo completo que podía predecir los posibles movimientos del actuador y anticipar cómo las diferentes presiones de entrada, geometrías y configuraciones de tubos y fuelles los logran, todo con una sola entrada de fluido.

"El papel de los materiales estructurales inertes de hoy será muy diferente en nuestras futuras máquinas", dijo Matia. "Se trata de incorporar la agencia y la computación en los materiales (orgánicos del material, el proceso de fabricación y el fenómeno físico que gobierna el sistema) permitiéndoles actuar de forma independiente a través de mecanismos físicos y arquitectura interna. Este trabajo representa un marco escalable novedoso para manifestar el control del material por el material, donde de otro modo la materia estructural inerte actúa en su propio beneficio”.

Para demostrar la tecnología, el equipo construyó un robot blando de seis patas con dos bombas de jeringa en la parte superior, que se agacha y camina a 0,05 longitudes corporales por segundo.

Automatización del diseño de robots blandos

Herramienta ayuda a diseñar robots blandos que pueden doblarse y torcerse

"Detallamos el complemento completo de métodos mediante los cuales puede diseñar estos actuadores para aplicaciones futuras", dijo Petersen. "Por ejemplo, cuando los actuadores se usan como patas, mostramos que con solo cruzar un conjunto de tubos, se puede pasar de un andar de avestruz, que tiene una postura muy amplia, a un trote de elefante".

"Esto es básicamente un subcampo completamente nuevo de robótica suave", agregó. "Explorar ese espacio será súper interesante".

Aquí hay una entrevista de Tech Briefs con Petersen, editada para mayor claridad y extensión.

Resúmenes técnicos: ¿Qué inspiró el uso de la viscosidad?

petersen: Los robots de software son este nuevo tipo de robot que son realmente ventajosos para aplicaciones particulares donde los infinitos grados de libertad son útiles: la capacidad de moverse de infinitas maneras, la capacidad de moverse con seguridad alrededor de los objetos y la capacidad de cumplir en términos de perturbaciones externas y cosas por el estilo.

La mayoría de los robots blandos son impulsados ​​por fluidos. En el pasado, la gente decía: "Quiero poder tener estos infinitos grados de libertad, pero es muy difícil controlarlos". Tenía controladores realmente avanzados, porque si quiero empujar el robot a alguna parte, necesito un tipo diferente de controlador. Entonces, el gran enfoque en los últimos años ha sido: "¿Cómo simplificamos la complejidad del control?" Por lo general, las personas miran el material para eso: ¿cómo podemos poner un control adicional en los polímeros para que los controladores reales no se vuelvan tan complicados?

Dijimos: "Está bien, bueno, hemos estado mirando el material, tratemos de mirar los fluidos en su lugar. Y, ¿y si en lugar de tratar de evitar la viscosidad, lo que la gente normalmente hace, qué tal si lo exploramos?"

Resúmenes técnicos: ¿Cuánto tiempo llevó construir su robot de seis patas y cuáles fueron los mayores desafíos técnicos que enfrentó?

petersen : Una vez que entendimos cómo construir nuestros actuadores, armar el robot fue como un par de semanas; eso fue muy facil Realmente, lo que tomó más tiempo fue estabilizarlo porque estamos usando actuadores suaves.

Lo más difícil fueron los propios actuadores porque queríamos ver si podíamos crearlos utilizando materiales de muy baja calidad. Y al final, nos alejamos de eso y simplemente dijimos que imprimiéramos en un polímero de alta gama para que tengamos estos fuelles bajos y funcionen.

Pero estamos buscando, en el futuro, imprimirlos en el tipo de máquinas de impresión de filamento estándar de gama baja que la gente tiene en casa para que pueda hacer su propio actuador.

Resúmenes técnicos : Caminar y agacharse son las dos permutaciones actuales del robot. ¿Qué más pretendes que haga?

petersen : Estoy muy entusiasmado con esto. La idea es que ahora con un solo controlador, solo esa bomba de jeringa, podemos crear cualquier número de puertas. Entonces, más allá de tener un robot que camina, donde podemos cambiar los sellos o el tipo de caminata dependiendo de la superficie, imagine un robot que nada y puede dar brazadas, o puede retroceder si invierte su ciclo de puerta. Puedes imaginar pinzas; por ejemplo, intentar crear un movimiento continuo como enroscar una tuerca alrededor de un tornillo o en cualquier lugar donde queramos movimientos avanzados donde podamos controlar tanto la posición como la posición en el tiempo.

Resúmenes técnicos : ¿Cuáles son sus planes para futuras exploraciones? ¿Algún próximo paso planeado?

petersen : En este momento, solo podemos producir movimientos de forma continua, por lo que se moverá dinámicamente, pero una vez que vuelva a estar estacionario, siempre estará en alguna versión extendida o retraída. No podemos colocar la punta del robot en ningún lugar que queramos una vez que se detiene. Por lo tanto, estoy entusiasmado de combinar esto con tecnologías tradicionales, como válvulas y demás, para seguir teniendo controladores muy similares pero con un nivel adicional de complejidad, de modo que también podamos obtener posiciones estacionarias en cualquier lugar del espacio de trabajo del actuador.

Resúmenes técnicos: ¿Tiene algún consejo para los ingenieros que buscan llevar sus ideas a buen término o al mercado?

petersen : Paciencia. Es sorprendente el tiempo que se tarda en hacer una buena demo y comprobar que funciona bien. Además, por supuesto, ¡atrévete a soñar!